5G 通信系统的应用
摘要
第五代移动电话行动通信标准，也称第五代移动通信技术，外语缩写：5G。也是4G之后的延伸，正在研究中，5G网络的理论下行速度为10Gb/s.5G网络还没有进入我们的生活，通过现有的4G网络来推测并不能准确的得知当5G网络普及之后我们的社会将发生多大的改变，本文根据各大组织，通讯企业发布的关于5G网络的信息，介绍什么是5G网络，国际上对5G网络的要求，5G网络的应用场景还有5G网络的技术发展方向。文章中主要还对5G网络潜在的无线技术进行分析，介绍大规模天线技术、超密集组网、全频谱接入和新型多址的基本概念、优势、挑战。5G移动通信系统想要满足2020年的移动互联网，物联网的需求，最关键的两点：快速，低功耗。而想要实现这两点，最重要的是对5G网络关键技术的选择。5G移动通信网络的实现需要足够的技术支持，而5G网络无线技术是支持5G网络成功构建的基石性技术，只有其无线关键技术确保达到目标，才有可能实现整个社区5G网络的覆盖。5G移动通信系统所需要加强的主要是无线技术和网络架构两个方面。本文主要讨论了5G网络无线技术的潜在核心技术，根据国际主流组织机构发布的关于5G网络的最新信息，将5G网络所潜在的无线关键技术，进行介绍，并选择其中之一，解释其原理，应用场景，优势和问题。尽快明确5G网络的概念，技术方向和其核心技术，这将对聚集全球产业力量，促进5G网络的发展具有十分重要的意义。
关键词：5G移动通信网络；大规模天线；全频谱接入；超密集组网；新型多址
目录
第1章 绪论 2
1.1 选题目的和意义 2
1.2 国内外研究现状 2
1.3 论文内容与组织结构 3
第2章 5G移动通信网络 5
2.1 5G网络简介 5
2.2 5G应用场景 5
2.3 5G网络的要求 7
2.4 5G网络的技术方向 7
2.5 5G网络面临的挑战 8
第3章 5G网络中的一些关键技术 10
3.1 大规模天线 10
3.2 超密集组网 11
3.3 全频谱接入 12
3.4 新型多址技术 14
第4章 大规模天线传输技术 16
4.1 大规模天线系统设计 16
4.2 系统模型上的优势 16
4.3 系统频谱效率上的优势 19
4.4传播过程中的优势 21
总结 22
参考文献 23
第1章 绪论
1.1 选题目的和意义
移动通信网络发展到现在一共经历了4代，第一代是模拟技术，第二代实现了数字化语音通信，第三代是3G网络，已经能够实现基本的多媒体通信，第四代是我们目前已经离不开的4G网络，其标志着无线宽带时代的到来。而本论文所研究的5G移动通信网络指的正是第五代移动通信网络[[ [] 尤肖虎，潘志文，高西奇. 5G 移动通信发展趋势与若干关键技术［J］.中国科学: 信息科学，2014，44( 5) : 551 － 563．]]。
4G网络已经改变了我们的生活，使我们在能够足不出户的买到漂亮的服装和美味的食物，使我们能够更方便的远行，游玩，不再担心迷路或是无处可居。5G移动通信网络是4G网络的升级版，5G网络传输速度将会更快，传输功耗将会变得更低，成本也将更低，能够承载更多设备的接入。5G网络将会开启一个全新的时代，它瞄准的不再仅仅是人与人之间的连接，更包括了人与物，物与物的连接，将会实现的是整个社会的全面互联。
随着5G网络的到来，每种类型的通信都会受到很大的影响。新的5G移动通信网络，面对高吞吐量需求的不断增长，需要通过增加无线网络的数据量，提高质量和服务，并降低价格来满足社会的需求，这些是5G网络的重要因素。移动网络，医疗保健，互联网上的各种视频和音频，游戏，安全监控，以及我们生活的各个方面都将会利用到5G网络。它也将在商业，工业，学校和社会中发挥重要作用，改善大学生，医生，飞行员和警察的生活等等。我们生活的地区5G网络的最大优点之一是其能够建立全球网络。这个全球网络是基于所有可用的通信。考虑可穿戴设备的人造智能可用性，可以帮助我们监测我们身体的活动，如心脏速率，血压和大脑的活动，并在线保持与中央卫生保健中心的沟通。
5G移动通信系统想要满足2020年的移动互联网，物联网的需求，最关键的两点：快速，低功耗。而想要实现这两点，最重要的是对5G网络关键技术的选择。5G移动通信网络的实现需要足够的技术支持，而5G网络无线技术是支持5G网络成功构建的基石性技术，只有其无线关键技术确保达到目标，才有可能实现整个社区5G网络的覆盖。5G移动通信系统所需要加强的主要是无线技术和网络架构两个方面。本文主要讨论了5G网络无线技术的潜在核心技术，根据国际主流组织机构发布的关于5G网络的最新信息，将5G网络所潜在的无线关键技术，进行介绍，并选择其中之一，解释其原理，应用场景，优势和问题。尽快明确5G网络的概念，技术方向和其核心技术，这将对聚集全球产业力量，促进5G网络的发展具有十分重要的意义[[[] IMT-2020(5G) Promotion Group. 5G 无线技术架构白皮书[R]. 2015.]]。
2013年2月，欧盟宣布，将拨款5000万欧元。加快5G移动技术的发展，计划到2020年推出成熟的标准。
2013年5月13日，韩国三星电子有限公司宣布，已成功开发第5代移动通信（5G）的核心技术，这一技术预计将于2020年开始推向商业化。该技术可在28GHz超高频段以每秒1Gbps以上的速度传送数据，且最长传送距离可达2公里。相比之下，当前的第四代长期演进（4GLTE）服务的传输速率仅为75Mbps。而此前这一传输瓶颈被业界普遍认为是一个技术难题，而三星电子则利用64个天线单元的自适应阵列传输技术破解了这一难题。与韩国目前4G技术的传送速度相比，5G技术预计可提供比4G长期演进（LTE）快100倍的速度。[7] 利用这一技术，下载一部高画质（HD）电影只需十秒钟。
早在2009年，华为就已经展开了相关技术的早期研究，并在之后的几年里向外界展示了5G原型机基站。华为在2013年11月6日宣布将在2018年前投资6亿美元对5G的技术进行研发与创新，并预言在2020年用户会享受到20Gbps的商用5G移动网络。
2014年5月8日，日本电信营运商 NTT DoCoMo 正式宣布将与 Ericsson、Nokia、Samsung 等六家厂商共同合作，开始测试凌驾现有 4G 网络 1000 倍网络承载能力的高速 5G 网络，传输速度可望提升至 10Gbps。预计在2015年展开户外测试，并期望于 2020 年开始运作。
2015年3月1日，英国《每日邮报》报道，英国已成功研制5G网络，并进行100米内的传送数据测试，每秒数据传输高达125GB，是4G网络的6.5万倍，理论上1秒钟可下载30部电影，并称于2018年投入公众测试，2020年正式投入商用。
2015年3月3日，欧盟数字经济和社会委员古泽·奥廷格正式公布了欧盟的5G公司合作愿景，力求确保欧洲在下一代移动技术全球标准中的话语权。奥廷格表示，5G公私合作愿景不仅涉及光纤、无线甚至卫星通信网络相互整合，还将利用软件定义网络（SDN ）、网络功能虚拟化（NFV）、移动边缘计算（MEC）和雾计算(Fog Computing)等技术。在频谱领域，欧盟的5G公私合作愿景还将划定数百兆赫用于提升网络性能，60 GHz及更高频率的频段也将被纳入考虑。
欧盟的5G网络将在2020年~2025年之间投入运营。
2015年9月7日，美国移动运营商Verizon无线公司宣布，将从2016年开始试用5G网络，2017年在美国部分城市全面商用。[8]
我国5G技术研发试验将在2016-2018年进行，分为5G关键技术试验、5G技术方案验证和5G系统验证三个阶段实施。[9]
2016年3月，工信部副部长陈肇雄表示：5G是新一代移动通信技术发展的主要方向，是未来新一代信息基础设施的重要组成部分。与4G相比，不仅将进一步提升用户的网络体验，同时还将满足未来万物互联的应用需求。
从用户体验看，5G具有更高的速率、更宽的带宽，预计5G网速将比4G提高10倍左右，只需要几秒即可下载一部高清电影，能够满足消费者对虚拟现实、超高清视频等更高的网络体验需求。
从行业应用看，5G具有更高的可靠性，更低的时延，能够满足智能制造、自动驾驶等行业应用的特定需求，拓宽融合产业的发展空间，支撑经济社会创新发展。
从发展态势看，5G目前还处于技术标准的研究阶段，今后几年4G还将保持主导地位、实现持续高速发展。但5G 有望2020 年正式商用。[10]
近日，诺基亚与加拿大运营商Bell Canada合作，完成加拿大首次5G网络技术的测试。测试中使用了73GHz范围内频谱，数据传输速率为加拿大现有4G网络的6倍。
2017年2月9日，国际通信标准组织3GPP宣布了“5G”的官方 Logo。[11]
2017年11月15日，工信部发布《关于第五代移动通信系统使用3300-3600MHz和4800-5000MHz频段相关事宜的通知》，确定5G中频频谱，能够兼顾系统覆盖和大容量的基本需求。[12]
2017年11月下旬中国工信部发布通知，正式启动5G技术研发试验第三阶段工作，并力争于2018年年底前实现第三阶段试验基本目标。[13]
2017年12月21日，在国际电信标准组织3GPP RAN第78次全体会议上，5G NR首发版本正式冻结并发布。[3]
2017年12月，发改委发布《关于组织实施2018年新一代信息基础设施建设工程的通知》，要求2018年将在不少于5个城市开展5G规模组网试点，每个城市5G基站数量不少50个、全网5G终端不少于500个。[14]
